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Title: Measurement of light-by-light scattering and search for axion-like particles with 2.2 nb−1 of Pb+Pb data with the ATLAS detector
A bstract This paper describes a measurement of light-by-light scattering based on Pb+Pb collision data recorded by the ATLAS experiment during Run 2 of the LHC. The study uses 2 . 2 nb − 1 of integrated luminosity collected in 2015 and 2018 at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV. Light-by-light scattering candidates are selected in events with two photons produced exclusively, each with transverse energy $$ {E}_{\mathrm{T}}^{\gamma } $$ E T γ > 2 . 5 GeV, pseudorapidity |η γ | < 2 . 37, diphoton invariant mass m γγ > 5 GeV, and with small diphoton transverse momentum and diphoton acoplanarity. The integrated and differential fiducial cross sections are measured and compared with theoretical predictions. The diphoton invariant mass distribution is used to set limits on the production of axion-like particles. This result provides the most stringent limits to date on axion-like particle production for masses in the range 6–100 GeV. Cross sections above 2 to 70 nb are excluded at the 95% CL in that mass interval.  more » « less
Award ID(s):
1812377
PAR ID:
10227221
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
3
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract The exclusive photoproduction of $$\mathrm {\Upsilon }\mathrm {(nS)} $$ Υ ( nS ) meson states from protons, $$\gamma \mathrm {p} \rightarrow \mathrm {\Upsilon }\mathrm {(nS)} \,\mathrm {p}$$ γ p → Υ ( nS ) p (with $$\mathrm {n}=1,2,3$$ n = 1 , 2 , 3 ), is studied in ultraperipheral $$\mathrm {p}$$ p Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon pair of $$\sqrt{\smash [b]{s_{_{\mathrm {NN}}}}} = 5.02\,\text {TeV} $$ s NN = 5.02 TeV . The measurement is performed using the $$\mathrm {\Upsilon }\mathrm {(nS)} \rightarrow \mu ^+\mu ^-$$ Υ ( nS ) → μ + μ - decay mode, with data collected by the CMS experiment corresponding to an integrated luminosity of 32.6 $$\,\text {nb}^{-1}$$ nb - 1 . Differential cross sections as functions of the $$\mathrm {\Upsilon }\mathrm {(nS)} $$ Υ ( nS ) transverse momentum squared $$p_{\mathrm {T}} ^2$$ p T 2 , and rapidity y , are presented. The $$\mathrm {\Upsilon (1S)}$$ Υ ( 1 S ) photoproduction cross section is extracted in the rapidity range $$|y |< 2.2$$ | y | < 2.2 , which corresponds to photon–proton centre-of-mass energies in the range $$91 
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  2. A<sc>bstract</sc> Measurements of light-by-light scattering (LbL,γγ → γγ) and the Breit-Wheeler process (BW,γγ →e+e) are reported in ultraperipheral PbPb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon pair of 5.02 TeV. The data sample, corresponding to an integrated luminosity of 1.7 nb−1, was collected by the CMS experiment at the CERN LHC in 2018. Events with an exclusively producedγγore+epair with invariant massesmγγ,ee>5 GeV, along with other fiducial criteria, are selected. The measured BW fiducial production cross section,σfid(γγ → e+e) = 263.5±1.8(stat)±17.8(syst)μb, as well as the differential distributions for various kinematic observables, are in agreement with leading-order quantum electrodynamics predictions complemented with final-state photon radiation. The measured differential BW cross sections allow discrimination between different theoretical descriptions of the photon flux of the lead ion. In the LbL final state, 26 exclusive diphoton candidate events are observed compared with 12.0 ± 2.9 expected for the background. Combined with previous results, the observed significance of the LbL signal with respect to the background-only hypothesis is above five standard deviations. The measured fiducial LbL scattering cross section,σfid(γγ→γγ) = 107 ± 24(stat) ± 13(syst) nb, is in agreement with next- to-leading-order predictions. Limits on the production of axion-like particles coupled to photons are set over the mass range 5–100 GeV, including the most stringent limits to date in the range of 5–10 GeV. 
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  3. null (Ed.)
    A bstract Measurement of Z-boson production in p-Pb collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 8 . 16 TeV and Pb-Pb collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV is reported. It is performed in the dimuon decay channel, through the detection of muons with pseudorapidity − 4 < η μ < − 2 . 5 and transverse momentum $$ {p}_{\mathrm{T}}^{\mu } $$ p T μ > 20 GeV/ c in the laboratory frame. The invariant yield and nuclear modification factor are measured for opposite-sign dimuons with invariant mass 60 < m μμ < 120 GeV/ c 2 and rapidity 2 . 5 < $$ {y}_{\mathrm{cms}}^{\mu \mu} $$ y cms μμ < 4. They are presented as a function of rapidity and, for the Pb-Pb collisions, of centrality as well. The results are compared with theoretical calculations, both with and without nuclear modifications to the Parton Distribution Functions (PDFs). In p-Pb collisions the center-of-mass frame is boosted with respect to the laboratory frame, and the measurements cover the backward ( − 4 . 46 < $$ {y}_{\mathrm{cms}}^{\mu \mu} $$ y cms μμ < − 2 . 96) and forward (2 . 03 < $$ {y}_{\mathrm{cms}}^{\mu \mu} $$ y cms μμ < 3 . 53) rapidity regions. For the p-Pb collisions, the results are consistent within experimental and theoretical uncertainties with calculations that include both free-nucleon and nuclear-modified PDFs. For the Pb-Pb collisions, a 3 . 4 σ deviation is seen in the integrated yield between the data and calculations based on the free-nucleon PDFs, while good agreement is found once nuclear modifications are considered. 
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  4. A bstract The first measurement of the e + e − pair production at low lepton pair transverse momentum ( p T , ee ) and low invariant mass ( m ee ) in non-central Pb–Pb collisions at $$ {\sqrt{s}}_{\textrm{NN}} $$ s NN = 5 . 02 TeV at the LHC is presented. The dielectron production is studied with the ALICE detector at midrapidity ( |η e | < 0 . 8) as a function of invariant mass (0.4 ≤ m ee < 2 . 7 GeV/ c 2 ) in the 50–70% and 70–90% centrality classes for p T , ee < 0.1 GeV/ c , and as a function of p T , ee in three m ee intervals in the most peripheral Pb–Pb collisions. Below a p T , ee of 0.1 GeV/ c , a clear excess of e + e − pairs is found compared to the expectations from known hadronic sources and predictions of thermal radiation from the medium. The m ee excess spectra are reproduced, within uncertainties, by different predictions of the photon–photon production of dielectrons, where the photons originate from the extremely strong electromagnetic fields generated by the highly Lorentz-contracted Pb nuclei. Lowest-order quantum electrodynamic (QED) calculations, as well as a model that takes into account the impact-parameter dependence of the average transverse momentum of the photons, also provide a good description of the p T , ee spectra. The measured $$ \sqrt{\left\langle {p}_{\textrm{T},\textrm{ee}}^2\right\rangle } $$ p T , ee 2 of the excess p T , ee spectrum in peripheral Pb–Pb collisions is found to be comparable to the values observed previously at RHIC in a similar phase-space region. 
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  5. A bstract The production cross-sections of J/ψ mesons in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 5 TeV are measured using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 9 . 13 ± 0 . 18 pb − 1 , collected by the LHCb experiment. The cross-sections are measured differentially as a function of transverse momentum, p T , and rapidity, y , and separately for J/ψ mesons produced promptly and from beauty hadron decays (nonprompt). With the assumption of unpolarised J/ψ mesons, the production cross-sections integrated over the kinematic range 0 < p T < 20 GeV/ c and 2 . 0 < y < 4 . 5 are $$ {\displaystyle \begin{array}{c}{\sigma}_{\mathrm{prompt}}\ J/\psi =8.154\pm 0.010\pm 0.283\ \upmu \mathrm{b},\\ {}{\sigma}_{\mathrm{nonprompt}}\ J/\psi =0.820\pm 0.003\pm 0.034\ \upmu \mathrm{b},\end{array}} $$ σ prompt J / ψ = 8.154 ± 0.010 ± 0.283 μb , σ nonprompt J / ψ = 0.820 ± 0.003 ± 0.034 μb , where the first uncertainties are statistical and the second systematic. These cross-sections are compared with those at $$ \sqrt{s} $$ s = 8 TeV and 13 TeV, and are used to update the measurement of the nuclear modification factor in proton-lead collisions for J/ψ mesons at a centre-of-mass energy per nucleon pair of $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 TeV. The results are compared with theoretical predictions. 
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